轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)

羅　絨，黃　翔

( 西安工程大學(xué)，西安 710048 )

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轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)

羅絨，黃翔

( 西安工程大學(xué)，西安 710048 )

本文以一臺(tái)3000m3/h風(fēng)量的轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組為例，根據(jù)組合式空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)要求，提出轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)步驟及選型方案，以便更多的工程人員了解該組合式空調(diào)機(jī)組的特點(diǎn)及計(jì)算方法，為工程設(shè)計(jì)人員提供參考依據(jù)。

空調(diào)機(jī)組；熱回收；轉(zhuǎn)輪式熱交換器；間接蒸發(fā)冷卻器；設(shè)計(jì)

1　引言

面對(duì)近年來我國能源短缺的現(xiàn)實(shí)，我們已清醒地認(rèn)識(shí)到節(jié)約能源的緊迫性，應(yīng)當(dāng)大力開發(fā)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，并尋找傳統(tǒng)能源的合理替代品，應(yīng)當(dāng)盡快把節(jié)能減排、提高資源利用效率降低能耗問題提到一個(gè)重要的位置上來[1]。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是利用自然環(huán)境空氣中的干球溫度和露點(diǎn)溫度差，通過水與空氣之間的熱濕交換來獲取冷量的一種環(huán)保高效而且經(jīng)濟(jì)的冷卻方式；它采用水作為制冷劑，能減少溫室氣體和CFCS的排放量，因此被稱為“零費(fèi)用技術(shù)”、“綠色空調(diào)”和“仿生空調(diào)”，是一種真正意義上的節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的制冷空調(diào)技術(shù)[1]。

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前我國大部分中央空調(diào)系統(tǒng)中沒有安裝熱回收裝置，使得冬季排風(fēng)中的熱量和夏季排風(fēng)中的冷量被白白地浪費(fèi)，一些安裝了熱回收裝置的空調(diào)系統(tǒng)由于運(yùn)行和管理上的不合理，未能達(dá)到應(yīng)有的效果，加熱和冷卻室外新風(fēng)的能耗非常大。《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》及其他有關(guān)的建筑設(shè)計(jì)及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)均建議在有條件的情況下宜采用排風(fēng)熱回收裝置。空調(diào)工程中處理新風(fēng)的能耗大致要占到建筑總能耗的25%～30%，對(duì)于高級(jí)賓館和辦公建筑可高達(dá)40%?？梢娍照{(diào)處理新風(fēng)所消耗的能量是十分可觀的。而空調(diào)房間的排風(fēng)中所含的能量更是相當(dāng)可觀，若加以回收利用可以取得很好的節(jié)能效益和環(huán)境效益，尤其是冬季采用，效益更為明顯[3～6]。

本文在當(dāng)前節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢下，將蒸發(fā)冷卻技術(shù)與熱回收技術(shù)很好地結(jié)合起來，提高資源利用效率，降低能耗，從而提出了一種轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組。該機(jī)組采用轉(zhuǎn)輪式(顯熱)間接蒸發(fā)冷卻器與直接蒸發(fā)冷卻器等多種功能段組合而成，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)排風(fēng)冷熱回收[7]?，F(xiàn)以3000m3/h風(fēng)量的機(jī)組為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)及選型。

2　轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)

《組合式空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T14294-93;

《采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2003;

《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-節(jié)能專篇》暖通空調(diào)·動(dòng)力2007。

2.2確定室外氣象參數(shù)[8]

由于本機(jī)組初步定為在干燥地區(qū)使用，因此以新疆烏魯木齊的氣象條件為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。新疆烏魯木齊夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為33.4℃，室外計(jì)算濕球溫度為18.3℃；冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度為-23.4℃，室外計(jì)算相對(duì)濕度為78%。

2.3確定室內(nèi)氣象參數(shù)

根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50019-2003)的規(guī)定，夏季室內(nèi)溫度取26℃，相對(duì)濕度取60%；冬季室內(nèi)溫度取25℃，相對(duì)濕度取50%。

2.4假定風(fēng)速

轉(zhuǎn)輪式熱回收器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)風(fēng)速為2～4m/s,空氣流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時(shí)的迎面風(fēng)速會(huì)影響到效率，迎面風(fēng)速越大，熱濕交換效率越低，反之則越高。直接蒸發(fā)冷卻段的迎面風(fēng)速一般取值是2.5～3.0m/s。風(fēng)速要合理取值,過大會(huì)減少斷面積但是又會(huì)產(chǎn)生空氣中帶水的問題,過小會(huì)使外形尺寸過大,提高經(jīng)濟(jì)成本,增加斷面積。

2.5確定機(jī)組的外形尺寸

機(jī)組的斷面積可以按下面公式來計(jì)算[9]

v=Q/A

(1)

式中：

v—迎面風(fēng)速，m/s；

Q—機(jī)組的送風(fēng)量，m3/h；

A—機(jī)組的斷面面積，m2；

假定迎面風(fēng)速取值是2m/s，則機(jī)組的斷面積是A=Q/V=3000/2/3600=0.41m2，考慮到機(jī)組的有效面積系數(shù)(0.8～1.0)和寬高，按一定的比例來取值。機(jī)組的外形尺寸見表1。

轉(zhuǎn)輪式熱交換器的直徑為700mm，因此轉(zhuǎn)輪式換熱器新風(fēng)側(cè)有效面積S為：

S=πR2/2=3.14×0.352/2=0.19m2

經(jīng)校核算下來的風(fēng)速v為：

v=3000/3600/0.19=4.3m/s

實(shí)際的風(fēng)速基本上在轉(zhuǎn)輪式熱交換器的經(jīng)濟(jì)風(fēng)速內(nèi)，相差不是很大。

2.6機(jī)組外形設(shè)計(jì)

本機(jī)組外形設(shè)計(jì)參考了組合式空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范以及臺(tái)佳、美的、開利等組合式空調(diào)機(jī)組外形尺寸模數(shù),并考慮到本機(jī)組功能段的需要,對(duì)機(jī)組外形及各功能段尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),如表2所示。

表2　機(jī)組各功能段外形尺寸設(shè)計(jì)

2.7機(jī)組各功能段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分兼顧了蒸發(fā)冷卻“免費(fèi)供冷“的優(yōu)勢和轉(zhuǎn)輪式熱交換器的熱回收功能,并考慮到機(jī)組冬夏季及過渡季節(jié)時(shí)不同功能段的切換使用,設(shè)計(jì)出了自進(jìn)風(fēng)口方向：由新風(fēng)過濾段、轉(zhuǎn)輪(熱回收)間接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)段、直接蒸發(fā)段a、以及擋水板和送風(fēng)機(jī)，回風(fēng)方向：由回風(fēng)過濾段、直接蒸發(fā)段b、轉(zhuǎn)輪(熱回收)間接蒸發(fā)冷卻回風(fēng)段和回風(fēng)機(jī)所組合而成的全年運(yùn)行空調(diào)機(jī)組。轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的流程如圖1所示，機(jī)組各個(gè)功能段分布如圖2所示。

2.8填料的計(jì)算

2.8.1填料的效率

將出風(fēng)處理到相對(duì)濕度90%時(shí)填料的效率ηDEC為73%。

圖1　轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的流程圖Figure 1　The flow chart of the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units

1-新風(fēng)過濾段　2-轉(zhuǎn)輪式熱回收器新風(fēng)段　3-均流段　4-直接蒸發(fā)段a　5-檢測段　6-送風(fēng)機(jī)段　7-回風(fēng)過濾段　8-直接蒸發(fā)段b　9-轉(zhuǎn)輪式熱回收器回風(fēng)段　10-排風(fēng)機(jī)段圖2　轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組各功能段圖Figure 2　Each function segment flow of the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units

2.8.2填料厚度計(jì)算

將出風(fēng)處理到相對(duì)濕度90%時(shí)填料的效率ηDEC為73%；

直接蒸發(fā)冷卻器b的熱濕交換：

直接蒸發(fā)冷卻器的熱濕交換效率公式為：

(2)

式中：

tg1—進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃；

tg2—出風(fēng)干球溫度，℃；

ts1—進(jìn)風(fēng)濕球溫度，℃；

取直接蒸發(fā)冷卻器b效率ηDECb=73%；

室內(nèi)回風(fēng)經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器b的熱濕交換效率為：

0.73=(26-tg2)/(26-20.1)

(3)

計(jì)算得出：室內(nèi)回風(fēng)經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器b的溫降為4.3℃，即進(jìn)入轉(zhuǎn)輪式熱回收器回風(fēng)側(cè)前的溫度tg2=21.7℃。

轉(zhuǎn)輪式熱回收器的熱濕交換：

取轉(zhuǎn)輪式熱回收器的熱效率ηt=66%；

轉(zhuǎn)輪式熱回收器的熱效率：

顯熱效率：

(4)

(5)

式中：

tg1—室外新風(fēng)的初始溫度，℃；

tg2—新風(fēng)經(jīng)熱回收器后的溫度，℃；

轉(zhuǎn)輪式熱回收器新風(fēng)側(cè)方向：

室外新風(fēng)經(jīng)過轉(zhuǎn)輪式熱回收器的熱效率：

(6)

新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪式換熱器新風(fēng)側(cè)后再經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器a的熱濕交換效率為：

0.73=(25.7-t3)/(25.7-15.9)

(7)

計(jì)算得出送風(fēng)溫度：t3=18.5℃。

填料的厚度計(jì)算可以參考下面的公式來計(jì)算[10]：

(8)

式中：

tg1—進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃;

tg2—出風(fēng)干球溫度，℃;

vy—迎面風(fēng)速，m/s;

ε—填料比表面積，m2/m3;

δ—填料的厚度，mm;

ηDEC—填料的效率。

根據(jù)上面的數(shù)據(jù)代入(8)式得到：

直接蒸發(fā)冷卻段a：εδ=79.84，

直接蒸發(fā)冷卻段b：εδ=119.1。

ε通常取值是400～500m2/m3，為了取到精確的填料厚度，ε取不同的值，則填料的厚度結(jié)果如表3：

表3　不同比表面積下填料的厚度

則δ取其平均值，δa=179mm，δb=266mm，填料的厚度影響填料的效率，當(dāng)填料的厚度增加時(shí)填料的效率增加，但是當(dāng)填料的厚度增加到一定程度時(shí)填料的效率不再增加，反而增加了空氣的阻力，所以填料的厚度要取一個(gè)合理的取值，本機(jī)組中填料的厚度δa=200mm，δb=200mm。

2.8.3填料高度和寬度

假設(shè)是循環(huán)水濕膜加濕系統(tǒng)，并且安裝在空調(diào)空段內(nèi)，則：

填料寬度=空調(diào)箱內(nèi)寬度-50mm=950mm-50mm=900mm

填料高度=空調(diào)箱內(nèi)高度=500mm。

2.9本機(jī)組所需要水量的計(jì)算

填料上側(cè)淋水量的計(jì)算

填料上側(cè)的淋水量可以按下面公式來計(jì)算：

qDEC=1.2MsminF+△qn

(9)

式中：

Msmin—直接蒸發(fā)冷卻的最小淋水密度,kg/m2·s;

△qn—設(shè)備運(yùn)行的最大蒸發(fā)量,kg/s；

F—淋水面積,m2

在上式中填料的最佳淋水密度取值是0.44kg/m2s，運(yùn)行設(shè)備的最大蒸發(fā)量是淋水量的7%，填料a的淋水?dāng)嗝娣e0.2×0.9=0.18m2,填料b的淋水?dāng)嗝娣e0.2×0.9=0.18m2。實(shí)際的淋水量應(yīng)大于最小的淋水量，同時(shí)可考慮1.2的安全系數(shù)。則淋水量:

qDECa=1.2×0.44×0.2×0.9/0.93

=0.1kg/s=368kg/h,

qDECb=1.2×0.44×0.2×0.9/0.93

=0.1kg/s=368kg/h。

3　噴嘴類型及布水方式

本機(jī)組的直接蒸發(fā)冷卻段均采用管孔重力出流循環(huán)噴淋，一般兩孔之間的距離是200mm，管總長是900mm，則需打5個(gè)孔，每個(gè)孔的流量是：填料a：73.6kg/h，填料b：73.6kg/h。

4　設(shè)計(jì)及選型

4.1水箱的設(shè)計(jì)[9]

水箱的容積按能容納3～5min的噴水量來取，填料a所需要的水量：0.1×5×60=30kg=0.03m3,則取水箱的大?。洪L×寬×高：400×900×200。

4.2循環(huán)水泵的選型

水泵揚(yáng)程按下式計(jì)算：

HP=k·(hf+hd+hm)

(10)

式中：

hf、hd—水系統(tǒng)總的沿程阻力和局部阻力損失,Pa；

hm—設(shè)備阻力損失,Pa；

k—安全系數(shù)，取1.2

經(jīng)過水力計(jì)算:填料a和填料b水系統(tǒng)的沿程損失hf=413Pa。

局部阻力損失是沿程阻力損失的20%,則局部阻力損失hd=83Pa。設(shè)備阻力損失hm=2732Pa。

則水泵的揚(yáng)程為：

Hp=1.2×(413+83+2732)=3228(Pa)

=3228/9.80665×1000=0.4(m)

算出水泵的揚(yáng)程為0.4m。流量為0.37m3/h。

選用IS50-32-125A型單級(jí)離心式水泵，流量3.36m3/h，揚(yáng)程4m，電機(jī)功率0.22kW。

選用的離心式水泵的安裝高度與循環(huán)管路的安裝高度相同。

4.3風(fēng)機(jī)的選型

風(fēng)機(jī)的選型是將各個(gè)功能段的阻力及管路的阻力相加，求出風(fēng)機(jī)的全壓，最后選用一個(gè)合理的風(fēng)機(jī)，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)沒有具體布置管路，現(xiàn)只將機(jī)組內(nèi)各段阻力相加得出的阻力來選擇風(fēng)機(jī)。

送風(fēng)機(jī)阻力：1新風(fēng)過濾段+2轉(zhuǎn)輪式熱回收器新風(fēng)段+3均流段+4直接蒸發(fā)段a+5檢測段=50+170+10+75+10=315Pa;

排風(fēng)機(jī)阻力：7回風(fēng)過濾段+8直接蒸發(fā)段b+9轉(zhuǎn)輪式熱回收器回風(fēng)段=50+75+170=295Pa。

選用4-79(3.5A)型離心式通風(fēng)機(jī)，風(fēng)量1560～3040m3/h，全壓250～420Pa，電機(jī)功率1.1kW。

5　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組有如下特點(diǎn)：

(1)將轉(zhuǎn)輪式熱交換器很好地應(yīng)用于空調(diào)蒸發(fā)冷卻空調(diào)，以取代目前所采用的在實(shí)際工程中存在換熱效率低、布置工藝復(fù)雜、處理風(fēng)量小等缺點(diǎn)的常規(guī)熱回收器(板翅式、管式、熱管式)。

(2)將熱回收裝置與蒸發(fā)冷卻裝置有機(jī)結(jié)合的空調(diào)機(jī)組，具有熱回收和蒸發(fā)冷卻兩種功能，從而達(dá)到夏季冷回收，冬季熱回收,這種組合可以在全年運(yùn)行，可以充分利用室內(nèi)回風(fēng)來預(yù)冷/預(yù)熱室外新風(fēng)，同時(shí)盡可能多的減少空調(diào)能耗，提高了機(jī)組的能效比(EER)。

(3)采用水作為制冷劑的蒸發(fā)冷卻方式，降低了CFCS的排放及溫室效應(yīng)，符合環(huán)保要求。

(4)轉(zhuǎn)輪式熱交換器自身的成本相對(duì)來說比較高，但這種間接系統(tǒng)的冬季熱回收功能具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，尤其是對(duì)那些通風(fēng)負(fù)荷非常大的用戶。因此，其相關(guān)經(jīng)濟(jì)性和回收期的計(jì)算，要同時(shí)考慮其夏季和冬季的運(yùn)行費(fèi)用。

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Design for the Rotary Heat Recovery Evaporative Cooling Air Conditioning Units

LUO Rong,HUANG Xiang

( School of Environmental & Chemical Engineering,Xi′an University of Polytechnic, Xi′an,710048，China )Email: 157987053@qq.com)

Take 3000m3/h design for the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units for example,It based on the designing requirements of multiple air conditioning units,the paper come up with the steps for design of the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units and engineer would understand the calculationmethod and trait of air conditioning units at the same time the paper provide reference information for engineer .

the cooling air conditioning units；the rotary；the rotary heat exchanger；indirect evaporative cooler；design

2016-4-18

羅絨(1986-)，女,碩士，助理館員。研究方向：轉(zhuǎn)輪式熱回收型蒸發(fā)冷卻空調(diào)。Email：157987053@qq.com

ISSN1005-9180(2016)03-055-06

TU831文獻(xiàn)標(biāo)示碼：Bdoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.010